Sistema de Equilíbrio de Células de Iões de Lítio

F

ACULDADE DE

E

NGENHARIA DA

U

NIVERSIDADE DO

P

ORTO

Sistema de Equilíbrio de Células de Iões

de Lítio

Pedro Manuel Faria Areias

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Armando Luís Sousa Araújo (Prof. Doutor)

c

Resumo

A Investigação e Desenvolvimento em energias alternativas surgiu dos problemas associados às energias derivadas do petróleo. No entanto estas energias alternativas pela sua produção não ser constante ao longo do dia, colocam problemas devido às suas variações. Deste modo aparece a necessidade de procurar acumuladores de energia, adequados para este tipo de sistemas.

Dos acumuladores de energia destacam-se as baterias, estas são compostas por células agru-padas em série e paralelo de forma a fornecer a corrente e tensão necessárias para a aplicação em causa. As células da bateria são compostas por elementos eletroquímicos e devido a variações construtivas, ao ambiente ao qual são expostas durante a vida útil e ao envelhecimento, as células apresentam pequenas diferenças no seu estado de carga.

A bateria ao ser carregada e descarregada, necessita que lhe seja imposta certos limites máxi-mos e mínimáxi-mos. Assim, a célula com maior estado de carga determina o tempo de carga, enquanto a célula com menor estado de carga determina o tempo de descarga. Desta forma a bateria está limitada pela célula que tem menor capacidade. A necessidade de equilibrar a carga através de um sistema que permita a equalização entre as células, é uma temática de investigação e desenvolvi-mento relevante.

Os sistemas de balanceamento que são uma parte do Sistemas de Gestão de Baterias têm sido utilizados regularmente, existindo várias topologias umas mais recentes que outras, mas todas com o mesmo objetivo, equilibrar o estado de carga entre as células constituintes da bateria.

A equalização das células pode ser efetuada a partir de dois métodos: os passivos em que o balanceamento é conseguido através da dissipação de energia em resistências e os ativos que permitem através de interruptores controlados a transferência de energia por meio de elementos passivos nomeadamente condensadores e bobinas.

Esta dissertação apresenta um estudo dos métodos descritos anteriormente focando os métodos ativos, bem como a análise e desenvolvimento de um conversor Abaixador-Elevador bidirecional flutuante aplicado a um sistema de balanceamento com dezoito células de Iões de Lítio (Li-Ion).

Abstract

Research and development into alternative energy emerged from the problems associated with petroleum-derived energies, however these energies by their production not be constant throughout the day, pose problems because of their variations. Thus appears the need of seeking energy accumulators, suitable for this kind of systems.

Of energy accumulators include batteries, these are composed of cells grouped into series and parallel to provide the current and voltage necessary for the application concerned. The battery cells are composed of electrochemical elements and due to constructive variations, to the environ-ment to which they are exposed during the lifespan and aging, the cells exhibit minor differences in its state of charge.

The battery to be charged and discharged, requires that it be imposed certain maximum and minimum limits. Thus, the cell with greater state of charge determines the charging time, while the lower cell state of charge determines the discharge time. In this way the battery is limited by the cell that has lower capacity. The need to balance the charge across a system that permits the equalization between the cells, is a research and development theme relevant.

Balancing systems that are a part of Battery Management Systems have been used regularly, and there are several some latest other topologies, but all with the same goal, to balance the state of charge between the constituent cells of the battery.

The equalization of the cells can be achieved by two methods: the passives methods where the balance is achieved through power dissipation in resistance and the active methods that allows through controlled switches the transfer of energy through passive elements namely capacitors and coils.

In this dissertation a study of methods previously described is made focusing on the active methods and the analysis and development of a buck-boost converter floating applied to a balan-cing system with eighteen cells lithium-ion (Li-Ion).

Agradecimentos

Ao longo desta fase da minha vida muitas foram as pessoas que me incentivaram e apoiaram de modo que a realização desta dissertação fosse possível.

Gostaria de agradecer ao meu orientador Prof. Dr. Armando Araújo pela sua disponibilidade e paciência ao longo de todo este percurso académico.

Aos meus pais e irmãos pelos sacrifícios passados ao longo destes anos, e por me terem aju-dado a concretizar este objetivo de vida.

Agradeço ao Agostinho e ao Jorge por toda a disponibilidade, ajuda e conselhos que recebi e ao Prof. Rui por ter dispensado algum do seu tempo comigo.

Por fim quero agradecer aos meus amigos académicos pela convivência e incentivo dado ao longo do curso.

A todos eles um Muito Obrigado.

“It is not enough to have a good mind, the main thing is to use it well”

Rene Descartes

Conteúdo

1 Introdução 1 1.1 Motivação . . . 2 1.2 Objetivos . . . 2 1.3 Estrutura da Dissertação . . . 3 2 Estado da arte 5 2.1 Baterias . . . 5 2.1.1 Tipos de Baterias . . . 6 2.1.1.1 Baterias de Lítio . . . 7

2.1.2 Modelos elétricos da bateria de Li-ion . . . 8

2.2 Sistema de gestão de baterias (BMS) . . . 10

2.3 Sistemas de Balanceamento de baterias . . . 11

2.3.1 Métodos passivos . . . 13

2.3.2 Métodos ativos . . . 14

2.3.2.1 Métodos baseado em Condensadores . . . 14

2.3.2.1.1 Switched Capacitor . . . 14

2.3.2.1.2 Single Switched Capacitor . . . 14

2.3.2.1.3 Double-Tiered Switched Capacitor . . . 15

2.3.2.2 Métodos baseado em Bobinas . . . 16

2.3.2.2.1 Single/Multi Indutor. . . 16

2.3.2.2.2 Single/Multi Windings Transformer . . . 17

2.3.2.3 Métodos baseado em Conversores . . . 17

2.3.2.3.1 Conversor Cûk . . . 18 2.3.2.3.2 Conversor Buck/Boost . . . 18 2.3.2.3.3 Conversor Flyback . . . 18 2.3.2.3.4 Conversor Ramp . . . 19 2.3.2.3.5 Conversor Full-Bridge . . . 19 2.3.2.3.6 Conversor Quasi-Resonant . . . 20 2.4 Conclusão . . . 20 3 Conversor Abaixador-Elevador 23 3.1 Conversor Abaixador-Elevador bidirecional ideal . . . 23

3.2 Conversor Abaixador-Elevador bidirecional não ideal . . . 26

3.3 Conclusão . . . 26

4 Sistemas de Balanceamento 27 4.1 Requisitos . . . 27

4.2 Modelação . . . 28 ix

x CONTEÚDO 4.2.1 Esquemáticos . . . 28 4.2.1.1 Duas células . . . 28 4.2.1.2 Três células . . . 28 4.2.1.3 Seis células . . . 29 4.2.2 Parametrização . . . 29 4.2.2.1 Bobina . . . 29 4.2.2.2 Bateria . . . 31 4.2.2.3 Semicondutores . . . 31 4.3 Modos de operação . . . 31 4.4 Conclusão . . . 32 5 Controlo do sistema 33 5.1 Malha aberta . . . 33 5.2 Malha fechada . . . 34 5.3 Conclusão . . . 35 6 Simulação e Resultados 37 6.1 Duas células não ideais . . . 37

6.1.1 Esquemático no PSIM . . . 37

6.1.2 Resultados obtidos . . . 38

6.2 Seis células não ideais . . . 40

6.3 Conclusão . . . 41

7 Implementação e Resultados 43 7.1 Implementação do sistema . . . 43

7.1.1 Controlador . . . 43

7.1.2 Bateria e circuitos de potência . . . 44

7.1.3 Circuitos de drive e isolamento . . . 45

7.1.4 Aquisição e condicionamento . . . 46

7.1.4.1 Tensão das células . . . 46

7.1.4.2 Drivedo relé . . . 46

7.1.4.3 Sensor de corrente . . . 47

7.1.4.3.1 Retificador . . . 48

7.1.4.3.2 Filtro corrente . . . 48

7.1.4.3.3 Deteção do zero . . . 49

7.1.4.3.4 Proteção do máximo de corrente . . . 49

7.1.4.3.5 Portas lógicas . . . 50

7.1.4.4 Diagrama de blocos . . . 51

7.2 Controlo implementado no micro-controlador . . . 52

7.3 Ensaios e resultados obtidos . . . 53

7.3.1 Duas células . . . 54

7.3.2 Três células . . . 56

7.3.3 Conclusão . . . 56

8 Conclusão e Trabalhos Futuros 59 8.1 Conclusão . . . 59

CONTEÚDO xi

A 61

A.1 PCB de comando . . . 62 A.2 PCB de potência . . . 63

Lista de Figuras

2.1 Diagrama de blocos de uma célula de bateria [10]. . . 6

2.2 Esquemático das reações eletroquímicas de uma bateria de Li-Ion [14]. . . 7

2.3 Evolução das vendas de baterias de Li-Ion na eletrónica de consumo e HEV [13]. 8 2.4 Diagrama esquemático do modelo de Rint [17]. . . 9

2.5 Diagrama esquemático do modelo RC [17]. . . 9

2.6 Diagrama esquemático do modelo de Thevenin [17]. . . 9

2.7 Diagrama esquemático do modelo DP [17]. . . 10

2.8 Funcionalidades de um BMS [6]. . . 11

2.9 Tensão típica de uma célula de bateria Lítio durante carregamento e descarrega-mento [21]. . . 12

2.10 Topologias de balanceamento ativas e passivas [7]. . . 13

2.11 Métodos passivos [7]. . . 13

2.12 Topologia Switched Capacitor [7]. . . 14

2.13 Topologia Single Switched Capacitor [7]. . . 15

2.14 Topologia Double-Tiered Switched Capacitor [7]. . . 15

2.15 Topologias Single/Multi indutor [25, 26]. . . 16

2.16 Topologias Single/Multi windings transformer [7, 27]. . . 17

2.17 Topologia do conversor Cûk [7]. . . 18

2.18 Topologia do conversor Buck/Boost [7]. . . 19

2.19 Topologia do conversor Flyback [7]. . . 19

2.20 Topologia do conversor Ramp [7]. . . 19

2.21 Topologia do conversor Full-Bridge [7]. . . 19

2.22 Topologia do conversor Quasi-Resonant [7]. . . 20

3.1 Esquemático do conversor Abaixador-Elevador bidirecional. . . 24

3.2 Formas de onda associadas ao conversor Abaixador-Elevador bidirecional. . . 25

4.1 Esquemático do sistema de balanceamento de duas células. . . 28

4.2 Esquemático do sistema de balanceamento de três células. . . 29

4.3 Esquemático do sistema de balanceamento de seis células. . . 30

5.1 Possibilidades de transferência de energia entre células. . . 34

5.2 Máquina de estados do sistema de balanceamento. . . 34

5.3 Fluxograma do programa de controlo em malha fechada. . . 36

6.1 Esquema de duas células no PSIM. . . 38

6.2 Resultado da simulação de duas células não ideais. . . 39

6.3 Resultado da simulação de duas células não ideais num período. . . 39

6.4 Resultado da simulação de seis células não ideais. . . 40 xiii

xiv LISTA DE FIGURAS

6.5 Resultado da corrente na bobina, da simulação de seis células não ideais. . . 41

6.6 Resultado da simulação de seis células não ideais num certo intervalo. . . 42

7.1 XMC 4500. . . 44

7.2 Aplicação de desenvolvimento. . . 44

7.3 Relé G5RL-U1A-E-DC5. . . 45

7.4 Bateria Li-Po. . . 45

7.5 Circuito de isolamento dos sinais. . . 45

7.6 Leitura e condicionamento de sinal de cada célula da bateria. . . 46

7.7 Drivedo relé. . . 47

7.8 Sensor de corrente (L18P003D15). . . 47

7.9 Retificação do sinal do sensor de corrente. . . 48

7.10 Filtro do sinal do sensor de corrente. . . 48

7.11 Circuito de deteção do instante em que a corrente se anula na bobina. . . 49

7.12 Circuito de deteção do máximo de corrente e respetivo reset. . . 50

7.13 Combinação de portas lógicas aplicadas aos sinais de comando dos MOSFETs. . 51

7.14 Diagrama de blocos- corrente da bobina. . . 52

7.15 Fluxograma do programa de controlo implementado no micro-controlador. . . 53

7.16 Tempo morto dos MOSFETs. . . 54

7.17 PWM dos MOSFETs e corrente na bobina. . . 54

7.18 Resultado da implementação prática de duas células. . . 55

7.19 Resultado da simulação da implementação prática de duas células. . . 55

7.20 Resultado da implementação prática de três células. . . 56

7.21 Resultado da simulação da implementação prática de três células. . . 57

A.1 PCB de comando. . . 62

Lista de Tabelas

2.1 Caraterísticas técnicas de diferentes baterias [3, 11, 10, 12] . . . 7

2.2 Comparação das diferentes topologias de balanceamento [7] . . . 22

4.1 Diferentes valores frequência & D & L . . . 30

4.2 Diferentes modos de operação dos relés e MOSFETs . . . 32

7.1 Especificações da bateria . . . 45

7.2 Tabela de verdade do flip-flop do tipo D . . . 50

7.3 Tabela de verdade da combinação das portas lógicas . . . 51

Abreviaturas e Símbolos

Abreviaturas

ADC Analog-to-Digital Converter

BMS Battery Management System(Sistema de Gestão de Baterias)

CVL Charging Voltage Limit(Tensão Limite de Carga)

DC Direct Current

DAVE Digital Application Virtual Engineer

DVL Discharging Voltage Limit(Tensão Limite de Descarga)

EV Electric Vehicle(Veículo Elétrico)

ESR Equivalent Series Resistance(Resistência elétrica equivalente)

FC Fuel Cells(Células de Combustível)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

HEV Hybrid Electric Vehicle(Veículo Híbrido Elétrico)

I&D Investigação e Desenvolvimento

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor(Transístor Bipolar de Porta Isolada)

Li-Ion Lithium Ion(Iões de Lítio)

Li-Po Lithium Polymer(Polímeros de Lítio)

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Transístor de Efeito de

Campo Metal-Óxido-Semicondutor)

NiCd Nickel Metal-Cadmium(Níquel Cádmio)

NiMH Nickel Metal Hydride(Níquel Metal Hidreto)

NiZn Nickel Zinc(Níquel Zinco)

PCB Printed Circuit Board

PWM Pulse-Width Modulation(Modelação por Largura de Impulso)

RUL Remaining Useful Life(Vida Útil Remanescente)

SOC State Of Charge(Estado de Carga)

SOH State Of Health(Estado de Saúde)

xviii ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Símbolos

D Duty-cycle

Capítulo 1

Introdução

As preocupações com as questões ambientais e a escassez das reservas mundiais de petróleo, que têm uma duração estimada de algumas dezenas de anos, caso seja mantido o nível atual de consumo, têm motivado o desenvolvimento de soluções alternativas [1]. Assim, apesar de a pro-dução de energia ser indispensável à sobrevivência diária, pois proporciona “serviços essenciais” à vida humana, existe a necessidade de uma mudança.

Ao contrário das energias fósseis, que consomem recursos finitos, as fontes de energia renová-vel são caracterizadas por não se estabelecer um limite de tempo para a sua utilização. Estas fontes caracterizam-se por terem um índice de produção com grande variabilidade diária e sazonal.

Posto isto existe a necessidade de ter sistemas que armazenem energia para cobrir as horas do dia em que a produção de energia é baixa ou nula. Tratam-se de fontes limpas de energia, também conhecidas como energias verdes, por não poluírem a atmosfera com gases de efeito de estufa.

As fontes de energia renovável têm variações durante o dia, deste modo a energia produzida exige a disponibilidade de tecnologia adequada para o seu armazenamento, nomeadamente as baterias [2].

A Investigação e Desenvolvimento (I&D) em novas e avançadas baterias recarregáveis é um dos desafios mais importantes da eletroquímica. Na verdade, para além das aplicações associa-das ao já referido armazenamento energético, a evolução dos Veículos Elétricos (EVs)1dependem fortemente do sucesso da I&D desta nova geração de baterias, que possuam as caraterísticas ne-cessárias para a propulsão elétrica [2]. De facto dois fatores cruciais associados às baterias, têm vindo a restringir a massificação dos veículos elétricos: a sua autonomia e o seu preço (quando comparados com veículos de combustão interna). Por outro lado, a oferta de EVs têm vindo a ser cada vez mais acentuadas, pelo facto destes apresentarem cada vez maior autonomia, aliada a novos desenvolvimentos no sistema de armazenamento de energia, ou seja as baterias e sistemas associados. No entanto, atualmente o preço das baterias representa ainda cerca de um terço do preço total dos EVs [3].

A bateria para a maioria das aplicações é um conjunto de células individuais agrupadas em sé-ries e/ou paralelos. Estas células convertem energia eletroquímica em energia elétrica e vice-versa.

1_{Do Inglês Electric Vehicles}

2 Introdução

Devido a variações construtivas, diferentes temperaturas de funcionamento e envelhecimento, as células apresentam desempenhos diferentes. Quando uma bateria está a ser carregada ou des-carregada, as células individuais terão diferentes Estados de Carga (SOCs)2, algumas células são cronicamente sobrecarregadas ou sub-carregadas reduzindo assim o tempo de vida útil da bateria. O desempenho e tempo de vida útil é limitado pela célula que possui menor tensão [4]. O SOC representa a quantidade de carga existente na bateria comparado com a carga total, ou seja é uma variável percentual. É obtido através da medida de tensão e corrente da bateria [5]. A precisão e calibração através de métodos de estimação do SOC, constituem um tema propicio à I&D.

Enquanto a evolução das tecnologias nas baterias está a crescer, é necessariamente importante melhorar o desempenho das mesmas através dos Sistema de Gestão de Baterias (BMS)3que são os sistemas de gestão que controlam e monitorizam uma bateria, possuem algoritmos precisos para medir e estimar o estado funcional de uma bateria [6].

1.1

Motivação

Com a rápida evolução dos EVs, a bateria tem emergido como o mais promissor dos disposi-tivos acumuladores de energia. Atualmente existe I&D no sentido de melhorar o BMS para fazer das baterias elementos mais seguros e fiáveis [6]. Um dos elementos mais importantes associados ao BMS diz respeito ao sistema de balanceamento de células. Este sistema tem como objetivo equilibrar o SOC de todas as células da bateria. Os sistemas de balanceamento podem dividir-se em duas categorias: métodos passivos e ativos.

Os métodos passivos são dissipativos e removem o excesso de carga da célula mais carregada da bateria através de uma resistência, até que a carga desta corresponda à carga da célula mais baixa. A resistência pode ser fixa ou comutada de acordo com o sistema implementado.

Os métodos de balanceamento ativos são métodos não dissipativos que usam a célula com maior carga para fornecer energia a células onde a carga é menor. Estes métodos têm diferentes topologias de acordo com o elemento ativo usado para armazenar a energia, tal como componentes indutivos e capacitivos, controlados através de interruptores e/ou conversores [7].

Assim, esta dissertação pretende abordar um sistema de balanceamento ativo, de modo que maximize as vantagens deste método, maximizando a sua eficiência e minimizando o custo asso-ciado.

1.2

Objetivos

Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento e implementação de um sistema capaz de realizar o equilíbrio do SOC de uma bateria composta por um conjunto de células de Li-ion. A bateria em análise possui seis séries de três células em paralelo num total de dezoito células. O equilíbrio do SOC será realizado através de um método não dissipativo, de modo a melhorar o

2_{Do Inglês States Of Charge}

1.3 Estrutura da Dissertação 3

tempo de vida útil da bateria. Numa primeira fase será efetuado um estudo do estado da arte nestas temáticas, nomeadamente em células de baterias de Li-ion e sistemas de equilíbrio associado à bateria. Numa fase posterior pretende-se efetuar um estudo mais aprofundado na solução escolhida assim como uma análise nas simulações efetuadas. Na última fase será efetuada a validação e a implementação experimental do sistema projetado.

1.3

Estrutura da Dissertação

A dissertação encontra-se dividida em oito capítulos. Neste primeiro capítulo foi apresentada a motivação e objetivos adotados.

No segundo capítulo é apresentado o estado da arte, onde são abordados temas no âmbito dos diferentes tipos de baterias, focando o estudo nomeadamente nas baterias de Li-ion. Posterior-mente são expostos os métodos e topologias que permitem o balanceamento entre células.

No terceiro capítulo é realizado um estudo sobre o conversor Abaixador-Elevador4ideal e uma outra análise com não idealidades introduzidas no sistema.

O quarto capítulo é efetuada a modelação do sistema com a introdução dos requisitos, esque-mas propostos e parametrização.

No quinto capítulo apresenta os problemas associados ao sistema em malha aberta, como uma análise do algoritmo de controlo em malha fechada, proposto para ser introduzido nas simulações.

O sexto capítulo é focado nas análises computacionais.

No sétimo capítulo surge a implementação prática do sistema e os resultados obtidos, em que se pretende fazer a validação do ambiente de simulação.

No último capítulo são apresentados as conclusões e propostas de trabalho futuro.

Capítulo 2

Estado da arte

Neste capítulo é realizado uma revisão bibliográfica no âmbito desta dissertação. Foi efetuado um vasto trabalho de pesquisa de forma a garantir a atualidade e fiabilidade do tema desenvolvido. Um BMS permite termos baterias mais seguras e fiáveis. Faz parte deste sistema o balance-amento das células da bateria, este deve considerar as restrições impostas pela mesma, assim um estudo das diferentes baterias e suas caraterísticas é uma parte fundamental para o desenvolvi-mento de um sistema de balanceadesenvolvi-mento, focando a abordagem nas baterias de Li-ion.

2.1

Baterias

O consumo de energia que depende dos combustíveis fósseis está previsto ter um grave im-pacto no futuro, na economia global e na ecologia. Assim a produção de energia eletroquímica tem vindo a ser uma fonte de energia alternativa, concebida para ser mais sustentável.

Os sistemas de armazenamento de energia eletroquímica incluem baterias, super-condensadores e Células de Combustível (FC)1. Embora o armazenamento de energia e mecanismo de conversão sejam diferentes, todos podem contribuir para a resolução do problema em estudo [8].

Os super-condensadores baseiam-se em condensadores convencionais com uma densidade energética muito superior, permitindo que estes desempenhem uma função semelhante à das bate-rias. Comparativamente com as baterias, estes destacam-se pela não existência de reações quími-cas no desempenho das suas funções. Têm um bom comportamento para aplicações com elevada densidade de potência, devido às suas elevadas capacidades, mas têm baixa densidade de ener-gia. Estas são apropriadas para aplicações onde haja necessidade de fornecer rápidas acelerações, travagens regenerativas, sendo adequados para os Veículos Híbridos Elétricos (HEV)2[1, 9].

As FC são dispositivos que convertem energia química armazenada em energia elétrica atra-vés de reações eletroquímicas oxidação-redução. As FC distinguem-se das baterias, devido à necessidade de serem alimentadas continuamente a partir de fontes externas. Do ponto de vista operacional o combustível normalmente usado é o hidrogénio [8]. As vantagens em usar estas

1_{Do Inglês Fuel Cells}

2_{Do Inglês Hybrid Electric Vehicle}

6 Estado da arte

FC são a sua eficiência, emissões muito baixas, durabilidade e segurança. Por outro lado têm um elevado custo [1].

As baterias são sistemas eletroquímicos armazenadores de energia. A figura 2.1 apresenta o diagrama de blocos de uma célula de bateria, como podemos ver a energia elétrica é gerada a partir da conversão de energia química via reações redox entre o ânodo e o cátodo.

Figura 2.1: Diagrama de blocos de uma célula de bateria [10].

2.1.1 Tipos de Baterias

As baterias são compostas por um conjunto de células agrupadas em série e/ou paralelo de modo a fornecer o nível de tensão e corrente necessárias para um certo sistema. Assim, a escolha da bateria certa a utilizar é um fator crucial, estas dependem de certos parâmetros.

Numa primeira fase será interessante ter bem definido alguns conceitos técnicos referentes às baterias, os três primeiros conceitos são referentes a uma determinada taxa de descarga [9]:

• Energia Específica (Wh/kg) - representa a quantidade total de energia em (Wh) que a bate-ria pode armazenar, por cada quilograma de massa.

• Densidade de Energia (Wh/dm3_{) - refere-se à quantidade de energia armazenada em}

rela-ção ao seu volume.

• Densidade de Potência (W/kg) - específica a potência por cada quilograma de massa. • Ciclo de vida - é uma medida do número de vezes que uma bateria pode ser carregada e

descarregada durante o seu tempo de vida útil.

• Custo da bateria - custo representado por cada KWh.

• C-rate - mede a taxa de carga ou descarga da bateria, em termos da sua capacidade total (Ah). Ex: 1C com uma bateria de 1Ah, significa que a bateria deverá fornecer 1A durante uma hora.

2.1 Baterias 7

Existem três tipos de baterias mais usuais: chumbo-ácido, níquel (NiCd, NiMH e NiZn) e de lítio (Li-ion, Li-Po). A tabela 2.1 apresenta as caraterísticas relevantes das diferentes baterias.

Tabela 2.1: Caraterísticas técnicas de diferentes baterias [3, 11, 10, 12]

Tipo de Bateria Tensão Nominal (V) Energia Específica (Wh/kg) Densidade de Energia (Wh/dm3) Potência Específica (W/Kg) Ciclos de vida Auto descarga % / mês a 25o Custo da bateria Chumbo 2-2.1 30-50 70-100 75-200 500-1000 3-5 Baixo Níquel 1-1.65 40-65 70-200 150-300 1000-2000 20-30 Elevado Li-ion 3-4 90-120 200-250 200-430 500-1000 5-10 Elevado Li-Po 3-4 100-200 150-300 260-450 500-1000 1-2 Elevado

As baterias mais utilizadas são as de chumbo-ácido, estas possuem um tempo de resposta rápido, pequenas taxas de auto-descargas e baixos ciclos de vida [11].

As baterias de níquel ostentam maior densidade de energia, maiores ciclos de vida que as de chumbo-ácido, no entanto têm um elevado custo.

As baterias de lítio são das mais promissoras para dispositivos de armazenamento de energia devido à elevada densidade de energia, baixa taxa de auto-descarga, elevados ciclos de vida e baixa necessidade de manutenção [10].

2.1.1.1 Baterias de Lítio

As baterias de lítio são leves, compactas e operam com uma tensão nominal na ordem dos 4V . Na sua estrutura convencional o eletrólito consiste numa solução de sais de lítio misturado com um orgânico solvente embebido num separador de feltro, o ânodo contêm grafite e o cátodo nas Li-Ion é formado por oxido metálicos de lítio enquanto nas Li-Po é constituído por óxido de polietileno. A figura 2.2 mostra as reações eletroquímicas de uma bateria de Li-Ion [13].

8 Estado da arte

A sua eficiência permite elevadas correntes de carga e descarga o que aumenta os risco asso-ciados a sobrecargas e sub-cargas, assim estas baterias têm de operar entre um limite máximo e mínimo de tensão [15].

Devido à elevada densidade de energia, estas baterias têm provocado crescimento no mercado de dispositivos eletrónicos. A figura ilustra o exposto 2.3.

Figura 2.3: Evolução das vendas de baterias de Li-Ion na eletrónica de consumo e HEV [13].

Assim existe a procura de melhorias no sentido de baixar o seu preço, aumentar o desempenho e segurança, através da utilização de outros materiais [10, 15].

2.1.2 Modelos elétricos da bateria de Li-ion

Para assegurar que a bateria irá operar com fiabilidade e segurança, parâmetros como a tensão, corrente e temperatura têm de ser monitorizados e o estado da bateria deve ser estimado com precisão em tempo real. O processo para medir o estado da bateria, como o SOC, Estado de Saúde (SOH)3, são complexos devido aos processos eletroquímicos e de outros vários fatores, deste modo utiliza-se vários métodos de estimação do estado da bateria.

Os métodos mais comuns baseiam-se em modelos eletroquímicos e modelos elétricos equi-valentes. Os modelos eletroquímicos usam equações diferenciais não lineares que descrevem a termodinâmica, e o fenómeno da cinética que ocorre no interior da célula. Estes modelos depen-dem de um elevado número de variáveis, aumentando a necessidade de ter elevado processamento computacional. Os modelos elétricos equivalentes são baseados nas caraterísticas dinâmicas, me-nos complexos fazendo uso de resistências, condensadores e fontes de corrente [16].

O SOC é um indicador que representa a carga armazenada na bateria comparada com a ca-pacidade de carga total. O SOH é outro indicador importante da funcionalidade da bateria, este prevê o número de vezes que a bateria pode ser carregada e descarregada [6]. Vários modelos elé-tricos equivalentes foram estudados de modo a ser escolhido o método mais propício ao sistema em causa. Os modelos são apresentados no parágrafo seguinte.

• Modelo de Rint

Este modelo implementa uma fonte de tensão ideal UOCque representa a tensão da bateria

2.1 Baterias 9

em circuito aberto esta depende de parâmetros do SOC e temperatura enquanto a resistência ROdepende do SOC, temperatura e do sentido da corrente IL[17].

RO=f(T,SOC,carga,descarga) UOC=f(SOC,T) Re=f(T,SOC) Rt=f(T,SOC) Cb=f(T) Cc=f(T) Rc=f(T,SOC)

+

-+

-IL IL

Figura 2.4: Diagrama esquemático do modelo de Rint [17].

• Modelo RC

Este modelo consiste em dois condensadores e três resistências. O condensador Cc é o que

tem menor capacidade e representa principalmente os esforços da superfície da bateria, Cb

é o que tem maior capacidade e representa a capacidade de uma bateria para armazenar carga. Rté referida como a resistência terminal, Rerepresenta a resistência de corte e Rcé a

resistência capacitiva, o SOC pode ser determinado pela tensão aos terminais de CB[17, 18].

RO=f(T,SOC,carga,descarga) UOC=f(SOC,T) Re=f(T,SOC) Rt=f(T,SOC) Cb=f(T) Cc=f(T) Rc=f(T,SOC)

+

-+

-IL IL

Figura 2.5: Diagrama esquemático do modelo RC [17].

• Modelo de Thevenin

No modelo de Thevenin é adicionado um ramo RC em paralelo, que está em série com o modelo de Rint, este ramo descreve as caraterísticas dinâmicas da bateria. ROé a resistência

interna da bateria como no modelo de Rint e RT hé a resistência de polarização, CT hdescreve

a resposta transitória durante a carga ou descarga da bateria [17].

10 Estado da arte

• Modelo Dupla Polarização (DP)

O modelo de Thevenin tem a caraterística de polarização que poderá ser simulada, no en-tanto a diferença entre a polarização de concentração e polarização eletroquímica conduz a uma simulação imprecisa nos momentos de carga ou descarga final. Um modelo mais preciso é apresentado na figura 2.7 definido por Dupla Polarização (DP). Rpae Rpc são

re-sistências de polarização, Rpacarateriza a polarização eletroquímica enquanto Rpccarateriza

a polarização de concentração. Cpae Cpc são usados para caraterizar a resposta transitória

durante a transferência de potência de/para a bateria [17].

Figura 2.7: Diagrama esquemático do modelo DP [17].

2.2

Sistema de gestão de baterias (BMS)

As baterias de Lítio possuem elevadas capacidades e estão agrupadas em série e paralelo para fornecer a um sistema uma certa tensão e corrente, estas devem operar com segurança e fiabilidade, dentro de uma gama de temperatura e tensão, excedendo estes limites irá conduzir à rápida redução de desempenho da bateria ou até provocar problemas de segurança. Para resolver estes problemas as baterias atuais estão equipadas com um BMS, permitindo ser controladas e geridas de modo eficaz, assim cada célula individual pode operar nas condições adequadas aumentando a robustez do sistema [19].

Na figura 2.8 é apresentado cada subsistema do BMS que tem as seguintes funcionalidades [6]:

• Monitorização das células, realiza tarefas de aquisição de corrente, tensão e temperatura em cada célula.

• Proteção e Segurança da bateria, subsistema que protege contra cargas ou descarga ex-cessivas, ou seja quando o SOC excede os limites de operação. Protege também contra temperaturas fora da gama de segurança.

• Estimação do SOC, descrito na secção 2.1.2. Existe a necessidade de ter um SOC preciso, não só para a gestão ótima da energia, mas também para proteger de condições de descargas ou sobrecargas profundas.

2.3 Sistemas de Balanceamento de baterias 11

• Estimação do SOH, descrito na secção 2.1.2. É outro indicador importante das funcionali-dades da bateria, e que pode observar o nível em cada célula ou pack de baterias. Remaining Useful Life(RUL) representa o intervalo desde o tempo atual até ao fim de vida útil. • Balanceamento das células, este subsistema do BMS, consiste em efetuar o equilíbrio do

SOC entre cada uma das células de uma bateria.

• Gestão da temperatura, a temperatura da bateria é um fator importante, a sua segurança depende da gama de funcionamento. O BMS necessita de um subsistema responsável por controlar a temperatura de modo a manter as baterias no ponto ótimo de operação perante diferentes condições de operação.

• Controlo de carregamento, as baterias possuem pequenas diferenças entre si que se traduz em diferentes limitações em relação à taxa em que estas podem aceitar carga devido à sua estrutura e eletroquímica. Este subsistema é necessário para otimizar e proteger de regimes de carga não desejáveis.

Figura 2.8: Funcionalidades de um BMS [6].

2.3

Sistemas de Balanceamento de baterias

Para sistemas de elevada densidade de energia onde é necessário atingir um determinado nível de tensão, as diferentes células da bateria estão sujeitas a diferentes condições de temperatura e auto-descarga, o que provoca desbalanceamento entre as mesmas.

12 Estado da arte

As causas do desbalanceamento são devidas a processos de manufatura, variações ambientais e devido a ligações de circuitos externos. Este desbalanceamento provoca comportamentos não desejáveis como a variação do SOC entre células e diminuem a capacidade e potência destas[20].

As células ao entrarem em sobrecarga e sub-carga deterioram-se irreversivelmente e põem em causa a segurança da bateria. Assim, é necessário monitorizar cada uma das células, de modo a que o SOC esteja entre um limite de tensão superior (CVL)4_{e inferior (DVL)}5_{, que no caso das}

baterias de Li-Ion corresponde a 80% e 40% do seu estado de carga, respetivamente. Na figura 2.9 está ilustrado a tensão típica de uma célula de bateria de lítio em regime de carga e descarga [21].

Figura 2.9: Tensão típica de uma célula de bateria Lítio durante carregamento e descarregamento [21].

A corrente de uma bateria é a mesma para todas as células em série, portanto, quando as células têm o mesmo SOC inicialmente, a célula com menor capacidade é a primeira que atinge os limites de CVL e DVL, quando está sendo carregada ou descarregada respetivamente [21].

O desempenho da bateria pode ser significativamente melhorado quando a carga de todas as células estão equalizadas. Para isso utiliza-se um sistema de balanceamento, através de dois métodos já referidos no capítulo 1, métodos passivos ou ativos. A figura 2.10 representa o esquema associado a estes métodos.

4_{Do Inglês Charging Voltage Limit} 5_{Do Inglês Discharging Voltage Limit}

2.3 Sistemas de Balanceamento de baterias 13

Figura 2.10: Topologias de balanceamento ativas e passivas [7].

2.3.1 Métodos passivos

Estes métodos removem o excesso de energia das células com tensões mais elevadas de forma dissipativa até que estas atinjam o valor de tensão da célula mais baixa. Os métodos passivos dividem-se em duas sub-categorias: fixed shunt resistor na figura 2.11a e controlled shunting resistorna figura 2.11b. O primeiro método utiliza um bypass contínuo para todas as células, este método só pode ser usado em baterias de Chumbo e Níquel, devido a estas permitirem condições de sobrecarga sem as danificar. O segundo método remove a energia em excesso das células com tensão mais elevada, não continuamente mas controlado através de interruptores [7]. Como o segundo método é controlado este pode ser usado em baterias de lítio, estes métodos dissipam a energia em forma de calor e efetuam o balanceamento lentamente, são métodos com baixa eficiência [7, 22].

(a) fixed shunt resistor. (b) controlled shunting resistor. Figura 2.11: Métodos passivos [7].

14 Estado da arte

2.3.2 Métodos ativos

Estes métodos utilizam circuitos externos para transportar a energia ativamente ao longo das células. Durante o balanceamento ativo a energia é transferida de uma ou várias células para um elemento não dissipativo que armazena a energia temporariamente e posteriormente a trans-fere para uma ou várias células ditrans-ferentes. O elemento não dissipativo podem ser bobinas e/ou condensadores. Estes métodos ativos podem-se dividir nas seguintes categorias: baseados em condensadores, bobinas ou conversores [22, 23].

2.3.2.1 Métodos baseado em Condensadores

Métodos baseados em condensadores utilizam como fonte de energia externa condensadores para transferir energia de umas células para as outras, num curto intervalo de tempo de modo a balancear as células. A partir da figura 2.10 é possível verificar que estes métodos podem ter três topologias: Switched Capacitor, Single Switched Capacitor e Double-Tiered Capacitor.

2.3.2.1.1 Switched Capacitor

A topologia da figura 2.12 utiliza n − 1 condensadores e 2n interruptores bidirecionais para equilibrar n células, a estratégia de controlo não é complexa pois só existem dois estados possí-veis, todas as células sequenciais, movendo os interruptores da posição superior para a inferior e vice-versa. Funciona para operações de carga e descarga, as suas maiores desvantagens estão relacionadas com o tempo longo de equalização e custo elevado comparativamente com o método passivo controlled shunting resistor [7, 24].

Figura 2.12: Topologia Switched Capacitor [7].

2.3.2.1.2 Single Switched Capacitor

Esta topologia é derivada do Switched Capacitor, mas utiliza só um condensador para efetuar o balanceamento, é composto por n + 5 interruptores bidirecionais para n células, como é ilustrado na figura 2.13.

2.3 Sistemas de Balanceamento de baterias 15

Figura 2.13: Topologia Single Switched Capacitor [7].

A estratégia de controlo tem o seguinte funcionamento, o controlador seleciona as células com nível de tensão maior e menor, e através dos interruptores correspondentes faz a troca de energia, no entanto existem outras estratégias de controlo para aumentar a velocidade de balanceamento [7]. Normalmente esta topologia utiliza quatro células devido ao seu custo e tamanho, se usar menos que 4 células irão existir mais interruptores que na topologia Switched Capacitor [24].

2.3.2.1.3 Double-Tiered Switched Capacitor

O Double-Tiered Switched Capacitor é uma topologia que deriva também do Switched Ca-pacitor, a diferença está no uso de duas camadas de condensadores para troca de energia, como ilustra a figura 2.14, esta topologia utiliza n condensadores e 2n interruptores bidirecionais para balancear n células [24].

Figura 2.14: Topologia Double-Tiered Switched Capacitor [7].

Havendo mais camadas, existem mais "caminhos"entre as células, minimizando a impedância para transportar uma certa quantidade de carga num "caminho"em particular. A vantagem desta topologia em comparação com a topologia Switched Capacitor é a diminuição para um quarto do tempo de balanceamento, devido à utilização de camadas. [24].

16 Estado da arte

2.3.2.2 Métodos baseado em Bobinas

Estes métodos utilizam bobinas e transformadores para trocar energia entre células. Devido à sua elevada corrente de balanceamento estes métodos caraterizam-se por efetuar o balancea-mento num curto espaço de tempo, a sua desvantagem está relacionada com o seu elevado custo e perdas magnéticas nos transformadores, caso sejam utilizadas a altas frequências existe a ne-cessidade de usar condensadores em paralelo com cada bateria para filtrar estas frequências. Este método pode subdividir-se em três topologias: Single/Multi Indutor, Single windings transformer e Multi/Multiple windings transformer [7].

2.3.2.2.1 Single/Multi Indutor

Utiliza uma ou mais bobinas para o balanceamento. A topologia de balanceamento Single indutor, na figura 2.15a utiliza uma bobina para transferir a energia entre as células da bateria. O sistema de controlo monitoriza a tensão de todas as células e seleciona duas células para transferir a energia entre estas.

A outra topologia Multi Indutor, na figura 2.15b utiliza n − 1 bobinas para o balanceamento de n células. O controlo consiste na verificação da diferença de tensão entre células adjacentes, se esta diferença for maior que um certo valor é aplicado um sinal PWM6. A maior desvantagem refere-se ao tempo de balanceamento, pois a energia tem de ser transferida entre duas células em série, apesar de este tempo ser menor para a topologia Multi Indutor [7].

(a) Single indutor. (b) Multi indutor.

Figura 2.15: Topologias Single/Multi indutor [25, 26]. 6_{Do Inglês Pulse-Width Modulation}

2.3 Sistemas de Balanceamento de baterias 17

2.3.2.2.2 Single/Multi Windings Transformer

Na figura 2.16a, a topologia Single windings transformer consiste num conversor de energia selecionável. Este método tem duas técnicas de balanceamento: transferir a energia de toda a bateria para a célula com menor tensão pack-to-cell ou transferir a energia da célula com maior tensão para a bateria cell-to-pack [7].

Com a topologia Multi windings tansformer a energia é transferida através de múltiplas saí-das do transformador para carregar diretamente a célula com tensão mais baixa, o que se traduz num método de rápido balanceamento. As estruturas típicas são baseadas no conversor flyback e forward.

Na figura 2.16b da parte esquerda utiliza a estrutura flyback, a sua principal desvantagem está relacionada com a potência do sistema e dos duty cycles associados aos transístores que estão limitados estritamente para evitar a saturação do transformador e evitar danificar os interruptores. Para além disto a corrente de fugas do transformador leva ao desequilíbrio de tensão em que o sistema de controlo não é capaz de compensar.

A estrutura forward da figura 2.16b do lado direito, tem como principal vantagem a elevada energia de transferência entre células levando a uma elevada eficiência. A maior dificuldade está em corresponder ao secundário distribuído do transformador. Esta estrutura possui o mesmo pro-blema da corrente de fugas do transformador [27].

(a) Single windings transformer. (b) Multi windings transformer. Figura 2.16: Topologias Single/Multi windings transformer [7, 27].

2.3.2.3 Métodos baseado em Conversores

Estes métodos utilizam conversores para o balanceamento das células dividindo-se em várias categorias: Cûk, Buck-Boost, Flyback, Ramp, Full-Bridge e Quasi-Resonant, que são carateriza-dos por permitir controlo completo do processo de balanceamento. No entanto o sistema enfrenta um custo relativamente elevado e controlo complexo [7].

18 Estado da arte

2.3.2.3.1 Conversor Cûk

O conversor bidirecional da figura 2.17, pode ser considerado uma topologia de balancea-mento de células individuais que equaliza cada par de células vizinhas, este necessita de n − 1 equalizadores de células individuais para cada n células. Como este conversor só permite o balan-ceamento entre células vizinhas, o tempo de balanbalan-ceamento é relativamente longo, especialmente se a bateria tiver muitas células série [7].

Figura 2.17: Topologia do conversor Cûk [7].

2.3.2.3.2 Conversor Buck/Boost

Na figura 2.18 o conversor Buck/Boost pode funcionar só com um modo Step-Down (Buck) ou Step-Up (Boost). Embora este método normalmente utilize um conversor para cada célula, tem a possibilidade de se utilizar um único conversor para efetuar o balanceamento através de interruptores controlados entre a bateria e o conversor, é um método bidirecional e permite o balanceamento cell to cell e pack to cell, no entanto necessita de um controlo inteligente para o correto funcionamento dos conversores de cada célula [7, 22].

2.3.2.3.3 Conversor Flyback

Na figura 2.19 o conversor Flyback é um conversor isolado e que pode funcionar no modo unidirecional ou bidirecional. No modo unidirecional, a energia da célula mais carregada é ar-mazenada no transformador e posteriormente transferido para a bateria. No modo bidirecional a transferência de energia é mais flexível, a energia pode também ser transferida do pack to cell. Tem como desvantagens a relação de espiras necessária e as perdas magnéticas associadas ao transformador [7].

2.3 Sistemas de Balanceamento de baterias 19

Figura 2.18: Topologia do conversor Buck/Boost[7].

Figura 2.19: Topologia do conversor Flyback[7].

2.3.2.3.4 Conversor Ramp

O conversor da figura 2.20 partilha o mesmo princípio que os transformadores Multi Windings Transformers, necessita de um enrolamento secundário para cada par de células, em vez de um único enrolamento por cada célula [7].

2.3.2.3.5 Conversor Full-Bridge

O conversor Full-Bridge da figura 2.21 é considerado um conversor totalmente controlado, pode ser utilizado para tensões AC-DC ou DC-DC, tem como inconveniente elevado custo e con-trolo complexo [7].

Figura 2.20: Topologia do conversor

Ramp[7].

Figura 2.21: Topologia do conversor Full-Bridge[7].

20 Estado da arte

2.3.2.3.6 Conversor Quasi-Resonant

O conversor da figura 2.22 utiliza a comutação de corrente ou tensão nula através de con-versores ressonantes, Zero-Current Quasi-Ressonant (ZCQR) ou Zero-Voltage Quasi-Ressonant (ZVQR). Em vez de utilizar controlo inteligente para gerar um sinal PWM, os circuitos resso-nantes são utilizados para transferir a energia e controlar os interruptores. Lr e Crsão o circuito

ressonante que têm como função de comutar com corrente nula. A maior vantagem é a diminuição das perdas de comutação aumentando a eficiência do balanceamento do sistema, como desvanta-gem tem um elevado custo e controlo complexo [7].

Figura 2.22: Topologia do conversor Quasi-Resonant [7].

2.4

Conclusão

Através deste capítulo foi efetuado um enquadramento do projeto no contexto atual do tema abordado, numa primeira fase fez-se uma analogia entre as várias baterias, as diferentes cara-terísticas que cada uma possui, de modo a se levar em consideração aquando da sua escolha e consequente projeto do sistema de balanceamento.

Foram analisadas diversas baterias Chumbo, Níquel e Lítio, posteriormente foi efetuada uma análise entre estas, chegando à conclusão que a mais vantajosa são as baterias de Lítio, que já se encontram em uso nos EVs e em aplicações ligadas a energias renováveis. Este tipo de baterias são as que possuem maior densidade de energética e potência especifica, e um ciclo de vida longo que se traduz numa elevada eficiência. Ao longo da vida útil da bateria as células estão constantemente perante diferentes condições de funcionamento, o que provoca alterações na sua capacidade, SOC e ciclos de vida entre as várias células. Assim, existe a necessidade de incluir na bateria um sistema de balanceamento de modo a compensar as discrepâncias entre as células.

O desempenho de uma bateria é normalmente transposto para modelos elétricos de forma a determinar comportamentos dinâmicos e estáticos da bateria.

Posteriormente foram analisados os métodos utilizados para o balanceamento, em que apre-sentam os inconvenientes e benefícios associados cada um.

2.4 Conclusão 21

Em métodos baseados em condensadores, onde normalmente são utilizados MOSFETs7, exis-tem estados de operação em que a corrente têm de passar através dos díodos em anti-paralelo, como a queda de tensão típica destes díodos é 0.7V , num balanceamento de duas células série, uma com tensão mais elevada que outra, o balanceamento no final, na célula que tinha tensão mais baixa, é dado pela tensão da célula mais elevada a menos da queda de tensão dos díodos. Assim este é uns dos problemas relevante nestes métodos.

Nos métodos baseados em bobinas o controlo é efetuado por corrente, tem como vantagem utilizar a razão de transformação intrínseca dos transformadores, porém tem como desvantagem as perdas magnéticas e o volume que este tipo de elementos necessitam num determinado sistema. Os últimos são os métodos baseados em conversores que normalmente não são muito utiliza-dos devido ao elevado custo e aumento da complexidade de controlo.

Na tabela 2.2 é apresentada uma análise comparativa dos vários métodos de balanceamento ativos (secção 2.3.2) .

A solução proposta terá fatores que determinam o método a ser utilizado: • Complexidade de controlo;

• Stress dos semicondutores e sua quantidade; • Números de elementos ativos necessários; • Bidirecionalidade do método;

• Tempo de equalização; • Custo e eficiência.

Os requisitos e especificações associados a um determinado sistema, orientam a escolha do método mais apropriado que deverá ser utilizado.

22 Estado da arte

Tabela 2.2: Comparação das diferentes topologias de balanceamento [7]

Topologias Tempo

de equalização

Complexidade

no controlo Implementação Eficiência

V&I Stress Elementos Ativos para n células e m módulos Custo V I SW C L SC S M MB B E P 2n n-1 - B SSC S C MB MB E P n+5 1 - MB DTSC B M MB B E P 2n n - B SI MB C E B B E 2n - 1 B MI MB C E B B E 2n-2 - n-1 B SWT B C B S B E n+6 - 2 S MWT B M B S P E 2 - n+1 S CC S C E B E MB n+1 n-1 n+1 B BBC B C B B E E 2n n n B FC B C B S E MB 2n - 2n S RC S C S S E MB n n n/2 S FBC MB C MB MB E E 4m m - S QRC S M S B E E 2n-2 n-1 2n-2 S

SW: Switched Capacitor SSC: Single Switched Capacitor DTSC: Double Tiered Switched Capacitor

SI: Single Indutor MI: Multiple Indutor SWT: Single Windings Transformer

MWT: Multiple Windings Transformer

CC: Conversor Cûk BBC: Conversor Buck-Boost FC: Conversor Flyback

RC: Conversor Ramp FBC: Conversor Full-Bridge QRC: Conversor Quasi-Ressonant

E:Excelente MB: Muito Bom B: Bom S: Satisfatório

Capítulo 3

Conversor Abaixador-Elevador

Após a revisão bibliográfica, decidiu-se utilizar a topologia baseada no conversor Abaixador-Elevador, de modo a retirar as vantagens que este conversor possui. No entanto a complexidade de controlo e o custo acrescido deste método ativo são um inconveniente.

No sistema a desenvolver decidiu-se utilizar um único conversor para transferir energia entre as várias células. Antes de partir para o desenvolvimento do sistema é necessário analisar o seu funcionamento.

Este capítulo apresenta num primeiro ponto o conversor ideal e posteriormente é analisado o circuito com efeito das não idealidades.

3.1

Conversor Abaixador-Elevador bidirecional ideal

Das bases da eletrónica sabemos que a energia armazenada no campo magnético de uma bo-bina é proporcional ao quadrado da corrente (equação 3.1), e que a energia armazenada no campo elétrico de um condensador é proporcional ao quadrado da tensão aplicada aos seus terminais (equação 3.2). EL= 1 2× L × I 2 _(3.1) EC= 1 2×C ×V 2 _(3.2)

Este conversor Abaixador-Elevador permite ajustar um nível de tensão DC para outro, superior ou inferior, através da regulação do fluxo de corrente que o atravessa.

Para que o conversor funcione no modo abaixador o duty cycle tem de ser menor que 0.5. O conversor apresentado tem a particularidade de ser bidirecional, o esquemático é ilustrado na figura 3.1, tal caraterística irá permitir transferir energia entre células em ambos os sentidos.

Através da análise do circuito, podem ser obtidas as equações que definem o funcionamento do sistema num período. Para esta análise foi considerado que os semicondutores são ideais e que as tensões das células são constantes e com Vcelula_1> Vcelula_2. Na figura 3.2 são ilustrados

24 Conversor Abaixador-Elevador

L Célula_2

Célula_1

Interruptor_1 Interruptor_2

Figura 3.1: Esquemático do conversor Abaixador-Elevador bidirecional.

os sinais de comando e correspondente forma de onda da bobina. Utilizou-se Vcelula_1= 3.9V ,

Vcelula_2= 3.6V e uma frequência de funcionamento de 20KHz com um duty cycle de 40%. Assim,

é possível dividir o período em três partes relevantes:

• [t0− t1]: este intervalo corresponde ao instante em que o interruptor 1 está ligado. A carga

começa a ser extraída da célula 1, assim circula uma corrente no sentido com a cor azul na figura 3.1. A corrente que atravessa a bobina tem um declive constante e positivo que é estabelecido pela equação 3.3, o pico de corrente ocorre no instante em que interruptor 1 é desligado que corresponde à equação 3.4.

iL(t) = V_{celula_1} L × t (3.3) ipico= Vcelula_1 L × D × TS (3.4)

Com base na equação 3.1, no instante final deste intervalo a energia transferida para a bobina é igual a:

E_[t0− t1] =

1

2× L × (ipico)

2 _(3.5)

• [t1− t2]: este intervalo corresponde ao instante em que o interruptor 2 está ligado. Durante

este tempo é efetuada a descarga da energia armazenada na bobina para a célula 2, o caminho da corrente encontra-se com a cor vermelha na figura 3.1, esta corrente tem um declive negativo, resultando na equação 3.6. Como estamos perante um circuito ideal, a energia que foi transferida para a célula 2 é igual à da equação 3.5.

iL(t0) =

V_{celula_1}

L × D × TS−

V_{celula_2}

L × t0,t0 = [t1− t2] (3.6)

• [t2− t3]: quando nenhum dos semicondutores está em condução, a corrente na bobina é

nula.

Analisado o funcionamento do circuito é possível concluir que a corrente de balanceamento é determinada pelo período de comutação e duty cycle. Assim, e de modo a garantir que o circuito

3.1 Conversor Abaixador-Elevador bidirecional ideal 25

opera em modo descontínuo, o sistema tem de verificar a equação 3.7, em que Vcelula_maior e

Vcelula_menor, referem-se à célula com maior e menor tensão respetivamente.

t1− t0 t2− t0 <Vcelula_menor Vcelula_maior (3.7) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 equilibrador.V_ctr_mos2 Corrente zero 0 2 4 6 I(equilibrador.L1) 0.00014 0.00016 0.00018 0.0002 0.00022 0.00024 Time (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 equilibrador.V_ctr_mos2 Descarga da bobina Carga da bobina Interruptor_1

(a) Onda de controlo do interruptor 1.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 equilibrador.V_ctr_mos2 Corrente zero 0 2 4 6 I(equilibrador.L1) 0.00014 0.00016 0.00018 0.0002 0.00022 0.00024 Time (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 equilibrador.V_ctr_mos4 Descarga da bobina Carga da bobina Interruptor_2

(b) Onda de controlo do interruptor 2.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 equilibrador.V_ctr_mos2 Corrente zero 0 2 4 6 I(equilibrador.L1) 0.00014 0.00016 0.00018 0.0002 0.00022 0.00024 T ime (s) 0 2 4 6 8 I(equilibrador.L1) Descarga da bobina Carga da bobina (c) Corrente da bobina.

26 Conversor Abaixador-Elevador

3.2

Conversor Abaixador-Elevador bidirecional não ideal

No processo de transferência de energia entre as células existem perdas de energia. Na bobina existe sempre uma resistência em série, os semicondutores possuem uma resistência associada quando estão em condução, e nos instantes que entram e saem de condução provoca perdas por comutação. Os cabos de ligação entre os componentes incluem também uma certa resistividade que depende do cumprimento e da área da secção do cabo.

Na figura 3.1 as não idealidades provocam perdas que não foram consideradas. Deste modo as formas de onda da tensão e corrente terão ligeiras diferenças em relação ao circuito ideal. Estas serão analisadas aquando da análise computacional.

3.3

Conclusão

Este conversor permite que seja controlada a corrente que atravessa o circuito. Esta caraterís-tica foi a razão fundamental para ter escolhido um circuito deste tipo. Sendo a bobina o elemento que armazena a energia temporariamente, será possível tirar proveito de:

• Controlar a carga de uma célula transferida para outra; • Operar o sistema a elevadas frequências de comutação;

• Reduzir o tempo de balanceamento através do aumento da corrente de balanceamento; Na realidade existem perdas no circuito, deste modo é necessário a introdução das não ideali-dades a fim de ter uma melhor previsão do funcionamento do mesmo em modo descontínuo.

Capítulo 4

Sistemas de Balanceamento

Ao desenvolver um sistema de balanceamento com um conversor abaixador-elevador, este deve ser projetado tendo em consideração o funcionamento do conversor e reconhecer as não idealidades introduzidas.

A primeira secção deste capítulo apresenta os requisitos a considerar aquando da escolha dos componentes, a seguir é apresentado o sistema de balanceamento para duas, três e seis células. Posteriormente é feita a parametrização tendo em consideração a modelação efetuada. A última secção apresenta os modos de operação do sistema de seis células.

4.1

Requisitos

O sistema em causa deve balancear a carga das baterias com o conversor de um elemento pas-sivo descrito no capítulo 3, deve ser um sistema flutuante e consequentemente deve ter dimensões reduzidas.

Desta forma para que a modelação do sistema seja efetuada de forma eficiente é necessário decompor os problemas associados:

• Seleção de semicondutores que minimizem as perdas de condução e comutação, minimi-zando assim a queda de tensão associada e garantindo que funcionam à frequência imposta no circuito;

• Parametrizar os restantes componentes considerando-se a frequência de trabalho pretendida; • Utilizar um modelo da bateria com os parâmetros adequados, nomeadamente a sua

capaci-dade;

• Desenvolver um esquema modular que permita a transferência de carga entre células da bateria;

28 Sistemas de Balanceamento

4.2

Modelação

A modelação de um sistema é relevante para se poderem fazer simulações e consequentemente obter os resultados pretendidos. Deste modo o modelo a ser projetado terá influência nos requisitos impostos anteriormente.

4.2.1 Esquemáticos

A forma como são estruturados os possíveis percursos que podem existir entre as células da bateria e o conversor, determina a possibilidade de um sistema em transferir carga entre as várias células constituintes da bateria. Como foi descrito anteriormente pretendeu-se fazer uso de um único conversor abaixador-elevador flutuante bidirecional. Deste modo existe a necessidade de projetar um sistema com tal caraterística.

Cada duas células série da bateria terá acoplado uns relés que comutam no mesmo instante.

4.2.1.1 Duas células

Numa primeira abordagem foi traçado um circuito com duas células em série e o conversor, exposto na figura 4.1. L Célula_1 MOS_2 Célula_2 MOS_1 Relé_1 Relé_2 Relé_3

Figura 4.1: Esquemático do sistema de balanceamento de duas células.

Os relés apresentados servem exclusivamente para ser ativados no início e desativados no fim do balanceamento, enquanto os semicondutores comutam entre diferentes estados, ligado ou desligado, de forma a balancear as células através de PWM. Este esquema não pode ser aplicado diretamente para três células, senão seriam necessários n − 1 elementos indutores para n células.

4.2.1.2 Três células

Para três células como se pretende fazer uso de um único conversor para fazer troca de energia e de modo que o sistema não seja redundante, foi implementado um novo esquema com base no de duas células. A figura 4.2 mostra uma nova combinação de interruptores de modo a permitir o aumento ou diminuição de células, garantido que o sistema funciona com um único conversor de energia.

4.2 Modelação 29 L Célula_1 MOS_2 Célula_2 MOS_1 Relé_1.1 Relé_1.2 Relé_2.1 Célula_3 Relé_1.3 Relé_2.2 Relé_2.3

Figura 4.2: Esquemático do sistema de balanceamento de três células.

Do esquema da figura é possível verificar que o circuito permite exclusivamente a transferência de carga entre células adjacentes.

4.2.1.3 Seis células

Em várias aplicações existe a necessidade de ter um certo nível de tensão, que um conjunto de três células série não permitem. De modo a ultrapassar este problema foi projetado um novo esquema. Na figura 4.3 está apresentado um esquema com seis células em série para que este possua aos seus terminais 24V, no entanto para efeitos de análise computacional será utilizado seis células em série em vez das dezoito células referido no ponto 1.2. O seu princípio é semelhante ao esquema de três células, no entanto em cada um dos relés está identificado um modo e o correspondente terminal ligado ao conversor da seguinte forma: "relé_modo.terminal".

4.2.2 Parametrização

Apresentados os requisitos impostos e o estudo dos esquemas deste tipo, existe a necessidade de parametrizar os componentes mais relevantes.

4.2.2.1 Bobina

A partir da equação 3.4 determinada no capítulo anterior, é possível definir uma combinação entre frequência de trabalho, duty cycle e a indutância da bobina.

A frequência de funcionamento do sistema deve ser maior ou igual do que 20KHz, pois não deverá ser demasiado elevada para não aumentar as perdas e o processamento de dados, nem deverá ser baixa para não aumentar o tamanho do elemento indutor. O duty cycle deverá ser menor que 0.5, para o sistema não entrar em condução contínua, e funcionar como abaixador.

30 Sistemas de Balanceamento L Célula_1 MOS_2 Célula_2 MOS_1 Relé_1.1 Relé_1.2 Relé_2.1 1 2 3 Célula_3 Relé_1.3 Relé_2.2 Célula_4 Relé_3.1 Relé_2.3 Relé_3.2 Relé_4.1 Relé_4.3 Relé_5.2 Célula_6 Relé_5.3 Célula_5 Relé_3.3 Relé_4.2 Relé_5.1

Figura 4.3: Esquemático do sistema de balanceamento de seis células.

Para a indutância da bobina determinou-se um valor baixo de modo a que o valor da corrente de pico fosse elevada e consequentemente a carga transferida entre células fosse maior.

Para melhor prever a corrente de pico, esta foi calculada para dois valores fixos de tensão da célula, Vcelula_menor= 3.7V e Vcelula_maior= 4.2V . A partir da tabela 4.1 é possível verificar

os valores de pico, dentro desta gama de valores de tensão. Assim, aquando da parametrização pretendeu-se determinar o valor da bobina e frequência mais apropriada para o sistema.

Tabela 4.1: Diferentes valores frequência & D & L

Frequência (KHz) D L(H) IpicoVcelula_menor(A) IpicoVcelula_maior (A)

25 0.4 10u 5.92 6.72

20 0.4 10u 7.4 8.4

20 0.4 20u 3.7 4.2

4.3 Modos de operação 31

4.2.2.2 Bateria

A bateria pode ser simulada por um conjunto de células, em que cada célula utiliza o modelo RC, descrito em pormenor na secção 2.1.2. Para que o modelo possua os valores corretos associ-ados a cada parâmetro, as resistências deste modelo têm um valor associado baixo. Sabendo que em cada célula tem na realidade uma capacidade de 11Ah, para uma variação máxima de 1.1V , a capacidade que representa a célula será dada pelo valor calculado na equação 4.1.

I= ∆Q ∆t = C × ∆V ∆t ⇔ C = ∆Q ∆V = 11 × 3600As 1.1V = 36000F (4.1)

Como o tempo de simulação foi demasiado longo o valor da capacidade foi reduzido 10000 vezes, correspondendo ao valor de 3.6F, desta forma os tempos de equalização devem ser multi-plicados pelo mesmo fator de escala. Os valores das resistências utilizadas neste modelo foram baseadas no artigo referido em [18].

Nas simulações foi efetuada a equalização das tensões das células e não do seu SOC.

4.2.2.3 Semicondutores

De forma a serem escolhidos os semicondutores adequados devem ser considerados os requi-sitos e limitações do sistema. Para que o sistema de balanceamento faça uso de uma única bobina é necessário que o sistema opere a uma frequência elevada, reduzindo assim as dimensões da bobina.

Os MOSFETs são os semicondutores mais utilizados neste tipo de aplicações, tal razão advém do facto de:

• Baixa resistência interna;

• Possibilidade de um díodo rápido;

• Opera a frequências elevadas, pois tem tempos mortos mais curtos que os IGBTs1_;

• Aplicações de baixa tensão (menor que 250V); • Permite duty cycles longos;

4.3

Modos de operação

Os diferentes modos de operação dependem da seleção de uma combinação de relés, enquanto os dois MOSFETs existentes em todos os esquemas servirão juntamente para equilibrar o SOC das células, através de dois sinais de comando, de uma forma semelhante ao que foi apresentado no conversor bidirecional do capítulo 3.

Para ligar um conjunto de duas células em série são utilizados três relés, ligados no início e desligados no fim de uma equalização entre duas células. De modo a ser mais percetível o

32 Sistemas de Balanceamento

estudo, na tabela 4.2 são especificados os correspondentes modos a comutar. Por exemplo, na tabela Modo_1 corresponde ao modo um, onde na verdade existem três relés associados a este modo de funcionamento (da figura 4.3, Rele_1.1, Rele_1.2 e Rele_1.3), e que correspondem ao balanceamento entre as células 1 e 2.

Como os modos de operação são transversais a todos os esquemas só foi apresentado o es-quema de seis células, no de dois e três células o principio é o mesmo, ao ter n células tem obrigatoriamente n − 1 modos de operação.

Tabela 4.2: Diferentes modos de operação dos relés e MOSFETs

Modo 1 Modo 2 Modo 3 Modo 4 Modo 5 MOS_1 MOS_2

Célula 1 ligado - - - - X X

Célula 2 ligado ligado - - - X X

Célula 3 - ligado ligado - - X X

Célula 4 - - ligado ligado - X X

Célula 5 - - - ligado ligado X X

Célula 6 - - - - ligado X X

4.4

Conclusão

Ao projetar um sistema é necessário fundamentar-se nos requisitos estabelecidos, assim e com base nestes, pretendeu-se efetuar uma modelação, de forma a ser implementado num programa de simulação.

Do sistema de balanceamento projetado é possível concluir que este sistema utiliza um único conversor para a transferência de carga entre as baterias. Os esquemas de três e seis células apre-sentados permitem diferentes modos de operação, o que advém das diferentes necessidades que o sistema vai possuir ao longo do balanceamento. No programa de simulação como não existe um modelo de bateria é necessário recorrer ao modelo referido (secção 4.2.2), de forma a este poder ser implementado em plataforma computacional.

O próximo capítulo é focado no desenvolvimento de algoritmos de controlo para conduzir aos resultados pretendidos, com vista às melhores relações entre custo/benefícios e tempo de equali-zação/eficiência.

Capítulo 5

Controlo do sistema

Existe a necessidade de desenvolver um controlo para o sistema que seja apropriado e eficiente em função dos objetivos propostos e resultados pretendidos.

Do controlo em malha fechada tenciona-se que ao impor um sinal de referência e ao fazer a leitura das variáveis necessárias, através de sensores, o sinal de saída possua um efeito direto na ação do controlo, pelo que designam-se por sistemas de controlo com realimentação.

Deste modo procura-se reduzir o número de sensores utilizados, sem que este sistema com-prometa os objetivos propostos.

Da transferência de energia entre as células e o conversor, pretende-se determinar o melhor método, para que seja atingida a equalização no menor tempo possível. Como consequência é necessário determinar a melhor técnica para os possíveis caminhos de transferência de energia e em paralelo ter um bom controlo nesse sistema.

O algoritmo adotado teve objetivos como: minimizar as perdas e o tempo de equalização de forma a maximizar a eficiência.

5.1

Malha aberta

O sistema de balanceamento em modo descontínuo terá de transitar entre dois estados, a carga e descarga da bobina, entre duas células adjacentes.

A leitura dos valores de tensão de cada uma das células e da corrente são indispensável para determinar individualmente o SOC associado.

A carga e descarga da bobina pode ser determinada a partir dos dois sinais de comando envia-dos para cada um envia-dos MOSFETs.

Este sistema tem dois sinais de comando, um responsável pela carga e o seu complementar pela sua descarga. De referir que o sinal complementar terá um sistema da deteção do zero da corrente de modo à corrente não inverter de sentido. O sistema em funcionamento em malha aberta refere-se a duty cycles e frequências fixas.

Os sinais de comando são semelhantes aos apresentados no ponto 3.2b desta dissertação. 33

34 Controlo do sistema

Através da leitura de tensões é possível determinar as células que têm maior e menor carga, assim é necessário fazer o controlo dos sinais de comando, e determinar quais os semicondutores e relés que deverão ser ligados.

A transferência de energia num sistema de seis células só irá permitir o balanceamento entre duas células adjacentes ou seja cell-to-cell.

Na figura 5.1 é apresentado as possíveis transferências de energia entre as várias células. Os pontos ao longo do semi círculo representam as células constituintes da bateria.

1 2 3 4 5 6

Figura 5.1: Possibilidades de transferência de energia entre células.

5.2

Malha fechada

O estudo do sistema em malha fechada permite que a dinâmica seja melhorada, como torna o sistema mais robusto.

A figura 5.2 ilustra a máquina de estados responsável por ligar o sistema nos momentos em que este não esteja em carga ou descarga da bateria e desligar quando isso acontece.

Inicio

Desligado Ligado

Activar_sistema=1

Activar_sistema=0

Figura 5.2: Máquina de estados do sistema de balanceamento.

Para se entender melhor como o programa deve funcionar em malha fechada, para um sistema de três ou seis células é apresentado na figura 5.3 um fluxograma que rege o funcionamento do processo. De referir que os modos do fluxograma significam combinações de transferência de energia entre duas células adjacentes. Se o sistema é composto por n células, isto corresponde a n− 1 modos possíveis. Ao longo do fluxograma é utilizado a palavra erro que significa a diferença